Antena Log-Periódica Aplicada a Sensoriamento Remoto em Radares Aerotransportados

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1 Antena Log-Periódica Aplicada a Sensoriamento Remoto em Radares Aerotransportados Arismar Cerqueira S. Jr., I. F. da Costa Instituto Nacional de Telecomunicações - (Inatel) Santa Rita do Sapucaí Minas Gerais arismar@inatel.br H. E. Hernández - Figueroa Unicamp Departamento de Micro-ondas e Óptica Campinas São Paulo J. R. Moreira Neto, E. Reis OrbiSat da Amazônia Ind. e Aerolevantamento S.A. Campinas São Paulo Resumo Este artigo relata o projeto de uma antena logperiódica para aplicações de sensoriamento remoto em radares de abertura sintética (SAR) aerotransportados. O projeto e a análise de desempenho da antena foram realizados utilizando o software HFSS em função dos pré-requisitos eletromagnéticos e das restrições aerodinâmicas deste tipo de radar. Vale ressaltar que o modelo numérico contempla a fuselagem e a asa de um avião comercial. Resultados numéricos demonstram a aplicabilidade da antena proposta para radares SAR operantes na banda P na faixa de 350 a 450 MHz com polarização dupla e alto alcance, assegurado pelo ganho de 7,74 dbi. Palavras chave; Antena, Log-periódica, sensoriamento remoto e radar aerotransportado. I. INTRODUÇÃO Sensoriamento Remoto é a ciência relacionada à utilização conjunta de sensores em satélites ou aeronaves para aquisição e processamento de dados com o objetivo de estudar o ambiente terrestre por meio do registro e da análise das interações entre a radiação eletromagnética e as substâncias componentes do planeta Terra. Esta tecnologia tem sido utilizada em diversas áreas, desde análises topográficas até o controle do desmatamento e aplicações em segurança nacional. O sensor ativo de micro-ondas mais comum é o RADAR, acrônimo para Radio Detection And Ranging. Este sensor transmite um sinal de micro-ondas, na forma de pulsos eletromagnéticos regulares, em direção ao alvo e detecta a sua porção retro espalhada. A intensidade deste sinal retro espalhado é medida para discriminar diferentes alvos, e o atraso temporal (ou defasagem) entre os sinais transmitido e refletido determina a distância do alvo. O sistema de radar consiste basicamente de um transmissor, um receptor, uma antena e um sistema eletrônico para processar e gravar os dados. Radares podem ser embarcados em plataformas orbitais (satélites ou ônibus espaciais) ou aerotransportadas (aeronaves) [1]. A onda eletromagnética ilumina obliquamente uma faixa da superfície, na direção perpendicular à de movimento da plataforma. Estes sistemas são chamados Radar de Visada Lateral (Side-Looking Airborne Radar SLAR). Radares aerotransportados podem ter antenas de até 2 m, enquanto satélites podem suportar antenas de 10 a 15 m de comprimento. Para superar esta limitação de tamanho, o movimento da plataforma e os processos especiais de gravação e o processamento dos ecos do sinal retro espalhado podem ser usados para simular antenas muito maiores. Além disso, radares SAR (Synthetic Aperture Radar) que utilizam antena com polarização dupla podem gerar até 3 imagens alternando a recepção e a transmissão do sinal entre as polarizações vertical e horizontal. Com isso cada resultado das alterações enfatiza uma característica do solo e da vegetação, o que permite um estudo mais preciso do local. Este artigo relata o projeto de uma antena log-periódica [2], banda larga com polarização dupla e alto ganho para aplicações de sensoriamento remoto em radares SAR aerotransportados. O artigo foi dividido em 4 seções. A seção 2 descreve as características dos sistemas de sensoriamento remoto e apresenta imagens explicativas sobre a banda de operação e os resultados obtidos com as diferentes polarizações. A seção 3 relata o desenvolvimento da antena log-periódica para aplicações em radares aerotransportados, levando em consideração os prérequisitos eletromagnéticos e as restrições aerodinâmicas. Por fim, a última seção resume os resultados obtidos e expõe possíveis trabalhos futuros a serem realizados a partir da contribuição da presente pesquisa. II. SENSORIAMENTO REMOTO EM RADARES AEROTRANSPORTADOS A banda escolhida para a operação do radar foi à banda P devido às suas características de penetração na vegetação. Nesta faixa de frequência é possível analisar zonas de vegetação densa, tendo em vista que as ondas eletromagnéticas penetram nas copas das árvores

2 conseguindo atingir o solo, figura 1b. Existem radares SAR que operam na banda X capazes de mapear apenas a copa das árvores, como ilustrado na figura 1a [3]. O nível de penetração na vegetação está diretamente relacionado ao comprimento de onda (λ) do radar, o qual é de alguns centímetros e dezenas de centímetros nas bandas X e P, respectivamente. a) Ortoimagem em banda P com curvas de nível. b) Ortoimagem em banda X, com classificação feita com imagens da banda P. Fig. 2: Imagens obtidas utilizando radares SAR. a) Sinais refletidos pelo radar de banda X III. b) Sinais refletidos pelo radar da banda P Fig.1: Radar de banda X e P A funcionalidade do radar também depende da polarização da sua antena. Por meio do uso de combinações de recepção e transmissão entre as antenas com polarização vertical e horizontal é possível destacar diferentes parâmetros no solo o que amplia ainda mais o uso desta tecnologia. A figura 2 apresenta imagens obtidas por radares SAR operantes nas bandas X e P com polarização dupla. A partir destas imagens podem ser feitas análises de relevo e vegetação com alta precisão. DESENVOLVIMENTO DA ANTENA LOG-PERIÓDICA O projeto de uma antena log-periódica de dipolos pode ser dividido em duas etapas. Inicialmente, defini-se o número de elementos e o espaçamento entre eles a partir dos pré-requisitos do padrão de radiação e da banda de operação. A segunda etapa consiste na definição do número de elementos em função dos pontos de ressonância na banda. Isso posto, calcula-se os comprimentos dos elementos (Ln) e a distância entre eles (dn) [4] [5]. A tab.i apresenta os valores calculados para a antena proposta. Estes valores foram otimizados visando obter uma banda de 25 % em torno de 400 MHz e diminuir o tamanho da antena para minimizar o arrasto aerodinâmico. Tabela I: Parâmetros da antena proposta. Parâmetro Dimensão (mm) L (comprimento total da antena) 480 L1 (comprimento do maior elemento) 187 d1 (distância entre o primeiro elemento 60 e o segundo elemento) d0 ( distância entre o fim da antena e o 200 maior elemento) O próximo passo foi a elaboração do modelo computacional no software HFSS para análise do desempenho da antena em função da sua perda de retorno e do seu padrão de radiação, conforme reportado na figura 3. A antena apresenta uma banda de 57% para S11 < -10 db, cobrindo a faixa de frequência de 320 a 550MHz. O seu

3 padrão de radiação é do tipo end-fire e com ganho máximo G = 6,2 dbi na direção do eixo Y. considerando-a fixada na parte externa da fuselagem do avião, conforme mostrado na figura 4. A fuselagem e asa do avião são metálicas, por isso tem forte influência nas características eletromagnéticas da antena. As suas dimensões foram extraídas de uma avião comercial do tipo turbo comander e importadas no software HFSS utilizando o modelo em formato DXF. No caso da fuselagem, analisou-se parte da lateral do avião com dimensões 1,39 x 1,35 x 0,33 metros, perfazendo um volume total de 0,62 m3. Já no caso da asa, considerou-se um pedaço com comprimento de 1,35 m e largura de 0,4 m. Reduziu-se as suas dimensões até no mínimo o comprimento de onda do radar para reduzir o tempo computacional sem afetar as características eletromagnéticas. a) Modelo computacional. Fig. 4: Detalhes da simulação b) Perda de retorno. O custo de sensoriamente remoto depende do tempo de vôo e, conseqüentemente dos custo operacionais do mesmo, como por exemplo, despesas com manutenção, combustíveis e recursos humanos (pilotos e tripulação). O uso de duas antenas, uma em cada lado da aeronave, pode contribuir substancialmente para redução do custo operacional. Desta maneira, pode-se mapear simultaneamente os dois lados da aeronave, com isso reduzir o tempo de vôo à metade. Entretanto, deve-se assegurar que não exista sobreposição entre as áreas mapeadas, fato que resultaria na criação de "fantasmas" no sensoriamento remonto. Tomando-se como base a direção nadir (eixo perpendicular à direção de vôo), criou-se o parâmetro rejeição para quantificar o nível de radiação eletromagnético no lado oposto ao que está sendo mapeado. A rejeição é dada por: R = G(θ) - G(-θ) c) Padrão de radiação 3D Fig. 3: Simulações da antena log-periódica com polarização horizontal. Uma vez que a antena proposta está dentro das exigências de banda do projeto, iniciou-se a análise de desempenho das (1) sendo G(θ) o ganho na direção θ e G(-θ) o ganho na direção oposta em relação à nadir. A figura 4 destaca uma possível região de interesse para o sensoriamento remoto, que varia de 30 a 60 graus no plano de elevação (30 < θ < 60 ). Adotou-se como pré-requisito de projeto um nível de rejeição de no mínimo 15 db, ou seja, almeja-se que apenas cerca de 3% da energia radiada atinja o lado oposto do avião.

4 O método numérico utilizado para as simulações foi o método dos momentos, no qual o domínio computacional é dividido em tetraedros e as equações de Maxwell são resolvidas numericamente em cada um destes tetraedros. Quando incorporamos parte do avião ao modelo numérico, o domínio computacional cresceu significativamente. A figura 5 apresenta exemplos da malha (mesh) utilizada nas simulações com e sem a estrutura do avião. O número de tetraedros aumentou de para a) Somente a antena com polarização dupla. 1,54 db. A influência da fuselagem no padrão de radiação pode ser observada na figura 7b. Por fim, as figuras 7c e 7d apresentam os resultados da polarização vertical. Assim como no caso da polarização horizontal, a rejeição se manteve acima de 15 db e o ganho maior ou igual a 7 dbi. a) Modelo numérico. b) Antena fixada na parte externa do avião. Fig. 5: Exemplo de malhas utilizadas nas simulações. O passo seguinte foi a analise de interação entre as antenas com polarizações horizontal e vertical, utilizando o modelo numérico apresentado na figura 6a. As figuras 6b e 6c apresentam os resultados simulados dos parâmetros S11 e S21, respectivamente. Nota-se que a banda de operação se manteve e que o acoplamento entre as antenas na faixa de interesse (350 a 450 MHz) é muito baixo, variando entre -33 e -28 db. A mudança no formato da curva da perda de retorno foi causada pelo posicionamento físico da antena na fuselagem. Os resultados principais do padrão de radiação para duas as polarizações foram resumidos na figura 7. A posição da antena na fuselagem foi otimizada para minimizar a rejeição e viabilizar o sensoriamento remoto simultâneo nos lados da aeronave, assim como mostrado na figura 7a. A rejeição calculada para faixa de interesse (30 < θ < 60 ) manteve-se sempre acima de 15 db, chegando a 22 db no melhor dos casos. Vale ressaltar que além do aumento da energia radiada na região de interesse, a antena fixada na fuselagem apresenta ganho G= 7,74 dbi, resultando em um aumento de b) Perda de retorno (S11). c) Acoplamento entre as polarizações (S21). Fig. 6: Antena com polarização dupla fixada na fuselagem e resultados numéricos dos parâmetros S

5 a) Padrão de radiação 3D da polarização horizontal. d) Padrão de radiação da polarização vertical nos planos de elevação (curva azul) e de azimute (curva vermelha). Fig. 7: Padrão de radiação em 400 MHz para as duas polarizações. IV Conclusões b) Padrão de radiação no plano de elevação:polarização horizontal com fuselagem (vermelho) e sem fuselagem (azul). O trabalho baseou-se no desenvolvimento de uma antena log-periódica para aplicações de sensoriamento remoto utilizando radares SAR. Resultados numéricos demonstraram a aplicabilidade da antena proposta, a qual apresenta banda de 57% e ganho sempre superior a 7 db em toda a faixa de interesse para as polarizações horizontal e vertical. Além disso, a antena proposta implica na redução dos custos operacionais do sistema, pois viabiliza o uso simultâneo de dois radares SAR, um de cada lado da aeronave. O projeto da antena e a sua posição na aeronave foram otimizados para assegurar os pré-requisitos eletromagnéticos e aerodinâmicos de radares SAR. Vislumbra-se construir a antena proposta, fixa-la a uma aeronave comercial e testá-la em campo. Estes resultados serão comparados com os obtidos no presente trabalho para validação do projeto. Bibliografia [1] Canadá Centre for Remote Sensing (CCRS), Fundamentals of [2] [3] [4] [5] c) Padrão de radiação 3D da polarização vertical. Remote Sensing, dex_e.php, acessado em 10/08/2011. Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, 2rd ed., John Wiley &Sons, Orbisat, acessado em 20/09/2011 Balanis, C. A, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed., John Wiley &Sons, Lobkova, L.M. Sevastopol, Research of Radiation Characteristics of Wire Log-Periodic Antennas, Microwave & Telecommunication Technology, CriMiCo th International Crimean Conference.